煤矿井下防爆车辆安全卸荷装置_马艳卫.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 基金项目 山西省重点研发计划资助项目 （201803D121104） ； 天 地 科 技 股 份 有 限 公 司 科 技 创 新 创 业 资 金 专 项 资 助 项 目 （2018- TD- NQ036） ； 中国煤炭科工集团山西天地煤机装备有限公 司自立资助项目M2018- 30 煤矿井下防爆车辆安全卸荷装置 马艳卫 （山西天地煤机装备有限公司， 山西 太原 030006） 摘要 目前煤矿井下防爆车辆使用的液压蓄能器， 在维护时经常出现带压拆卸蓄能器或管路， 造成高压油液喷出， 形成安全生产事故。依据防爆车辆发动机工作的特点及 煤矿安全规程 的 要求， 设计了一套蓄能器自动卸荷装置， 通过检测防爆发动机的机油压力， 实现了蓄能器内的油 压自动建立或释放， 确保在车辆熄火时， 蓄能器内的油压自动卸荷， 避免了带压操作造成的事故 隐患。经过实际安装测试， 证明了自动卸荷系统泄漏量小， 卸荷时间较短且可靠。 关键词 防爆车辆； 液压蓄能器； 自动卸荷； 防爆发动机； 压力测试 中图分类号 TD525文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 03-0126-04 Safety Unloading Device for Explosion-proof Vehicle in Underground Coal Mine MA Yanwei （Shanxi Tiandi Coal Machine Equipment Co., Ltd., Taiyuan 030006, China） Abstract According to the hydraulic accumulators used by explosion-proof vehicles in underground coal mines at present, the accumulators or pipelines are often removed with pressure during maintenance, resulting in high pressure oil gushing out, which is easy to production safety accidents. In this paper, based on the characteristics of the explosion-proof vehicle engine work and the request of Coal Mine Safety Regulation, a set of accumulator automatic unloading device is designed. By detecting the oil pressure of engine, the oil pressure in the accumulator is automatically established or released to ensure that the oil pressure in the accumulator is automatically unloaded when the vehicle shuts down, avoiding the hidden danger of accidents caused by the operation with pressure. Through actual installation and test, it is proved that the automatic unloading system has small leakage, short unloading time and reliability. Key words explosion-proof vehicle; hydraulic accumulator; automatic unloading; explosion-proof engine; pressure test 近几年无轨辅助运输方式在井下物料运输得到 了迅速推广，煤矿防爆车辆得到了大规模的应用。 但由于煤矿井下地质条件差，长距离大坡度的路况 经常出现，对防爆车辆的制动性能提出了更高的要 求。在车辆设计时，制动系统配置有行车制动蓄能 器、驻车制动蓄能器，转向系统配置有紧急转向蓄 能器，为制动系统或转向系统提供压力油源，确保 防爆车辆优先转向， 从而保障车辆行驶的安全性[1]。 由于蓄能器为压力容器，国家质量家督检验检 疫总局已将其列为特种设备，生产厂家必须持有特 种设备制造许可证。防爆车辆上使用的蓄能器容积 小， 压力高， 能达到 16～21 MPa， 在这种使用情况下 使蓄能器变为危险源。井下工人检修或维护保养时 容易疏忽而进行带压操作，造成高压油液喷出或蓄 能器上的辅件也会随之飞出，极易造成人身伤害， 造成安全生产事故。因此设计一套泄漏量小、性能 稳定的蓄能器自动卸荷装置是非常有必要的[2-3]。 1蓄能器工作原理 某型号的防爆车辆具有行车制动蓄能器、转向 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.028 马艳卫.煤矿井下防爆车辆安全卸荷装置 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 126-129. MA Yanwei. Safety Unloading Device for Explosion-proof Vehicle in Underground Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 126-129. 移动扫码阅读 126 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 蓄能器。 蓄能器充液系统工作原理图如图 1， 变量柱 塞泵从油箱吸油，经高压过滤器、安全阀到达充液 阀， 分别给制动蓄能器、 转向蓄能器充液。制动蓄能 器内的高压油液经制动踏板到达驱动桥的制动器； 转向蓄能器内的高压油液经转向器到达转向油缸。 变量柱塞泵为负载反馈控制，蓄能器充液压力 值的区间取决于充液阀，充液阀通过负载反馈油液 来控制变量柱塞泵对蓄能器的充液压力范围。当蓄 能器内的压力低于充液阀设定的下限值时，充液阀 在自身弹簧力的作用下，阀芯换向，阻断负载反馈 油液的泄漏，使变量柱塞泵的建立反馈信号，给蓄 能器充液; 当蓄能器充液压力达到充液阀设定的上 限值时，充液阀在自身反馈油路的控制下，克服弹 簧力的作用，使阀芯换向，将负载反馈油液泄回油 箱， 变量柱塞泵反馈信号消失， 停止充液[4]。 图 1 中蓄能器为活塞式蓄能器， 其流量、 压力与 时间存在以下关系 qc- dVa dt （1） pcp0- （dVa dt 1 KA ） 1 m （2） 式中 Va为蓄能器内压缩气体体积； qc为充液流 量； pc为充液压力； A 为液压系统节流口面积； K 为 液压回路等效节流系数； p0为泵出口压力； m 为节流 口指数； t 为时间。 由以上关系式可知， 在液压蓄能器充液系统中， 蓄能器内气体体积变化率决定了充液的流量和压力。 2蓄能器自动卸荷系统 由图 1 可以分析出 当液压系统不工作时， 蓄能 器内的压力 （15～22 MPa） 仍然保留在其内部， 此时 工人维修如果因拆卸蓄能器，必然会导致高压油液 喷出，蓄能器上的辅件也会在压力的作用下高速射 出，极易造成井下安全事故。在这种情况下就需要 设计一种能够自动实现卸荷功能的装置，使蓄能器 内的压力在停车时，自动卸荷。由于煤矿行业对防 爆车辆的特殊要求，车辆上的电气件使用较少， 如 果直接使用电磁阀来实现此功能， 投入的成本较高， 不宜大范围推广[5-6]。 根据防爆车辆的实际使用情况，设计了一种与 防爆发动机相关联的卸荷装置。此装置的卸荷与否 取决于发动机的机油压力， 即当发动机工作时， 发动 机的机油压力为 0.2～0.7 MPa， 卸荷装置处于关闭状 态， 蓄能器能够正常的充液； 当发动机熄火后， 机油 压力为 0， 卸荷装置自动打开， 蓄能器内的高压油液 泄回油箱。自动卸荷装置工作流程图如图 2。 自动卸荷装置的原理如图 3，蓄能器代表了上 图中的制动和转向蓄能器。 充液阀在给蓄能器充 液时， 同时与自动卸荷装置的 B 口相通； 自动卸荷 装置的 C 口连通防爆发动机的机油路。当发动机工 作时， 在机油压力的作用下， C 口下方的阀芯向下运 动，当与阀芯下方的弹簧力相平衡时，阀芯停止运 动，此时阀芯刚好能将自动卸荷装置的 B 口和 A2 口隔断， 蓄能器充液； 当发动机熄火时， C 口的机油 压力消失，自动卸荷装置的阀芯在弹簧力的作用下 回到原位， 自动卸荷装置的 B 口和 A2 口沟通， 蓄能 器内的压力卸荷回油箱，为了便于观察蓄能器内的 压力， 在自动卸荷装置的 B 口处接有压力表[3-4]。 自动卸荷装置阀芯的受力平衡方程为 p1A1-p2A2M d 2 y dt 2 fy dy dt K1（y0S）（3 ） 式中 p1为阀芯上端压力； A1为阀芯上端有效 面积； p2为阀芯下端弹簧腔压力； A2为阀芯下端弹 簧腔侧有效面积； M 为主阀芯当量质量； y 为主阀芯 开口量； fy为阻尼系数； K1为阀芯弹簧刚度； y0为阀 图 1蓄能器充液系统工作原理图 Fig.1Accumulator filling system working principle diagram 图 2自动卸荷装置工作流程图 Fig.2A flowchart of an automatic unloading device 127 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 4蓄能器充液测试曲线 Fig.4Accumulator filling test curve 图 5蓄能器卸荷测试曲线 Fig.5Accumulator unloading test curves 图 3装有自动卸荷装置的工作原理图 Fig.3Automatic unloading device operating principle 芯回位弹簧初始压缩量； S 为完全打开时阀芯运动 距离。 QeCcCvA0 2△p ρ■ A0Cd △p ρ■ （4） 式中 Qe为阀孔的流量； A0为阀孔的截面积； Cc 为此截面积的收缩系数； Cd为流量系数； △p 为阀孔 的压差； ρ 为油液密度。 根据防爆发动机的机油压力及阀芯受力平衡方 程，对自动卸荷装置的阀芯及弹簧进行设计。经计 算使蓄能器的流量与自动卸荷装置的流量相匹配， 确定自动卸荷装置阀口的开度，保证蓄能器内的压 力能够迅速释放[7-9]。 3蓄能器卸荷试验 将自动卸荷装置按图 3 的工作原理连接到防爆 胶轮车液压系统中，压力传感器连接到蓄能器出口 对其压力进行测量。试验过程为 启动防爆胶轮车， 在空载空挡怠速情况下运行 2 min，空载空挡全油 门情况下运行 2 min， 再对车辆熄火， 测量蓄能器出 口压力的变化。采用进口的 HMG3 000 液压测试仪 进行数据采集， 主要采集记录压力和时间数据。 利用 HMG3 000 测试仪采集数据后，通过压力 的变化分析蓄能器充液后的泄漏量、在怠速和全油 门的情况下蓄能器内压力的稳定性、以及车辆熄火 后蓄能器内的压力卸荷情况。蓄能器充液测试曲线 如图 4， 蓄能器卸荷测试曲线如图 5。 由图 4 可以看出， 车辆刚启动过程中， 由于发动 机机油压力还没有建立， 前 8 s 蓄能器没有充液， 车 辆启动后， 机油压力建立， 自动卸荷装置关闭， 蓄能 器充液， 2 次充液压力均在充液上限 18.5 MPa 左 右，蓄能器压力降低到充液下限 15.2 MPa 左右， 蓄 能器自动充液， 在约 60 s 以后， 在没有任何操作的 情况下，蓄能器内的压力稳定在 17.1 MPa 左右， 说 明自动卸荷装置的泄漏量较小， 满足使用要求。 图 5 为车辆熄火时， 在机油压力信号消失， 自动 卸荷装置能在 23 s 内将蓄能器内的压力自动卸荷， 试验证明此阀反应灵敏，能够快速卸载蓄能器内的 高压油液， 压力变为 0 MPa， 达到了设计目的[10-11]。 4结语 根据防爆车辆的实际使用情况，设计了一种与 防爆发动机相关联的卸荷装置。在测试使用中发 现，防爆车辆在启车过程中，由于防爆发动机的机 油压力暂时没有建立，启车后机油压力建立蓄能器 才能充液，这就避免了原来启车的同时给蓄能器充 液， 使发动机带载启动， 更容易启动发动机。由测试 128 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 68-70. ［5］ 陈雷， 洪占勇.增量式编码器信号处理系统设计及仿 真测试 ［J］ .现代电子技术， 2015， 38 （23） 44-46. ［6］ 孙冬青.一种井下仪用减速器的设计及应用 ［J］ .内燃 机与配件， 2018 （8） 28-29. ［7］ 张宪栋.矿井通风自动报警系统的设计与应用 ［J］ .山 西焦煤科技， 2009 （1） 43-46. ［8］ 徐冬， 李凤玲， 张宁， 等.基于霍尔开关的磁性浮子式 液位传感器设计 ［J］ .传感器与微系统， 2017， 36 （7） 110-111. ［9］ 赵波.基于 STM32 和 FreeRTOS 的温度测量系统设计 ［J］ .电子技术与软件工程， 2019 （3） 68-69. ［10］ 李汉， 米志红， 林春熙.一种宽范围测速系统的设计 ［J］ .机电工程， 2010， 27 （11） 52-56. 作者简介 徐乐年 （1965） ， 山东烟台人， 教授， 硕士研 究生导师， 博士， 2006 年毕业于山东科技大学， 主要从事煤 矿检测仪表和监测系统的研发工作， 发表学术论文 50 余篇。 （收稿日期 2019-05-24； 责任编辑 李力欣） （上接第 125 页） 分析可以看出，自动卸荷装置能够满足防爆车辆的 使用要求，消除了因蓄能器带压维修拆解带来的安 全隐患，为煤矿井下的安全生产提供有力的保证， 并取得了很好的经济效益。 参考文献 ［1］ 杨希.煤矿用防爆车辆动力控制装置设计改进 ［J］ .煤 矿安全， 2017 （5） 127-129. ［2］ 马艳卫， 柳玉龙， 常凯， 等.煤矿井下防爆车辆新型蓄能 器自动卸荷装置 ZL201410848310.9 ［P］ .2017-01-25. ［3］ 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局. 煤矿安全规程 ［M］ .北京 煤炭工业出版社， 2016. ［4］ 郭锐， 唱荣蕾， 赵静一， 等.液压制动系统蓄能器充液 特性研究 ［J］ .农业机械学报， 2004， 45 （7） 7-12. ［5］ 王瑞龙.国内外防爆车辆技术标准分析 ［J］ .煤矿安全， 2017 （3） 216-218. ［6］ MT/T 9892006 矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技 术条件 ［S］ . ［7］ 雷天觉.液压工程手册 ［M］ .北京 机械工业出版社， 1990. ［8］ 路甬祥.液压气动技术手册 ［M］ .北京 机械工业出版 社， 2002. ［9］ 姚怀新.工程车辆液压动力学与控制原理 ［M］ .北京 人民交通出版社， 2006. ［10］ 周抚平.装载机双泵合流液压系统中卸荷阀特性的 研究 ［D］ .柳州 广西科技大学， 2014. ［11］ 张宁.防喷器起下钻试验台蓄能器卸荷阀组响应特 性分析 ［J］ .内蒙古石油化工， 2018 （3） 1-3. 作者简介 马艳卫 （1982） ， 男， 河北石家庄人， 副研究 员， 本科， 2006 年毕业于兰州理工大学， 从事煤矿机电产品 的开发与管理工作。 （收稿日期 2019-06-14； 责任编辑 李力欣） 129 ChaoXing